Ett forskarlag har konstruerat en ”bredbandig nanogap guldspektroskopisk sensor” med hjälp av ett flexibelt material som kan böjas för att skapa ett kontrollerat gap. Med den utvecklade tekniken är det möjligt att snabbt testa olika typer av material, inklusive virus för infektionssjukdomar, med hjälp av endast en enda nanospektroskopisk sensor för att hitta molekylära fingeravtryck. Forskningsresultaten har publicerats i Nano Letters.
Uppkomsten av pandemiska epidemier som covid-19 har visat på behovet av snabba och exakta analysmetoder för att förbereda sig för potentiella framtida virusutbrott. Ramanspektroskopi, som använder nanostrukturer i guld, ger information om materialens inre struktur och kemiska egenskaper genom att analysera molekylernas distinkta vibrationer, så kallade ”molekylära fingeravtryck”, med hjälp av ljus med en anmärkningsvärd känslighet. Därför skulle den kunna spela en avgörande roll för att avgöra om ett virus är positivt.
Konventionella högkänsliga Raman-spektroskopisensorer detekterar dock endast en typ av virus med en enda enhet, vilket innebär begränsningar när det gäller produktivitet, detektionshastighet och kostnad för kliniska tillämpningar.
Forskargruppen, som består av professor Kyoung-Duck Park samt doktoranderna Taeyoung Moon och Huitae Joo från institutionen för fysik vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH), har framgångsrikt tillverkat en endimensionell struktur i millimeterskala med nanogapar i guld som endast rymmer en enda molekyl med en tät passform. Detta framsteg möjliggör Raman-spektroskopisk avkänning med hög känslighet över stora ytor. Dessutom har de på ett effektivt sätt integrerat flexibla material på substratet för den spektroskopiska sensorn med guldnanogap.
Teamet utvecklade också en källteknik för en bredbandig aktiv nanospektralsensor som möjliggör skräddarsydd detektering av specifika ämnen med en enda enhet, genom att bredda nanogapet till storleken av ett virus och fritt justera dess bredd för att passa storlek och typ av material, inklusive virus.
Dessutom förbättrade de sensorns känslighet och styrbarhet genom att kombinera teknik för adaptiv optik som används inom områden som rymdoptik, t.ex. James Webb-teleskopet. Dessutom etablerade de en konceptuell modell för att utvidga den tillverkade endimensionella strukturen till en tvådimensionell spektroskopisk sensor, vilket teoretiskt bekräftar förmågan att förstärka Raman-spektroskopiska signaler med upp till flera miljarder gånger. Med andra ord blir det möjligt att bekräfta virusens positivitet i realtid inom några sekunder, en process som tidigare tog flera dagar för verifiering.
Forskargruppens resultat, som för närvarande väntar på patentgodkännande, förväntas kunna användas för snabba insatser genom högkänsliga realtidstester i händelse av oväntade infektionssjukdomar som covid-19, för att förhindra urskillningslös spridning.
Taeyoung Moon, huvudförfattare till artikeln, säger: ”Detta främjar inte bara grundläggande vetenskaplig forskning för att identifiera unika egenskaper hos material från molekyler till virus utan underlättar också praktiska tillämpningar, vilket möjliggör snabb upptäckt av ett brett spektrum av nya virus med en enda, skräddarsydd sensor.”
Ytterligare information: Taeyoung Moon et al, Adaptive Gap-Tunable Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00289
